基于光学模数转换的通信信号并行处理方法

本发明涉及光学信号处理，具体是一种基于光学模数转换的通信信号并行处理方法。

背景技术：

1、随着无线通信的发展，现代通信场景对通信速率的要求逐渐增加，因此无线通信信号的带宽也随之增加。并且由于低频段的频谱资源已经逐渐被占满，难以满足信号带宽的需求，通信信号的波段也逐渐向毫米波等高频波段发展。然而，受限于模拟电路中电子瓶颈的存在，模数转换器等电学器件的带宽难以满足通信信号的宽带高频需求；另一方面，信号带宽和通信速率的增加也意味着后端信号处理需要更快的响应速度，这对于现有的处理方式和处理架构是一大挑战。超高的信号瞬时带宽与通信速率远超现有的信号处理的数据吞吐率，无法做到处理的实时化，而信息存储空间的大小与信息读写速率的限制又成为非实时化处理的另一瓶颈。

2、光学模数转换方法通过光学信息处理的手段，利用高速的光脉冲完成对高频宽带电磁信号的采样过程。由于光的载频远高于目前无线通信所使用的电磁载频，因此在光域上处理和接收宽带电磁信号相当于将电磁通信信号转化为了窄带信号进行接收和处理，避免了电子瓶颈类似的带宽限制。因此，基于光学模数转换进行电磁信号接收的方法能实现毫米波射频波段宽带通信信号的直接接收，满足未来6g通信的高载频大带宽的需求。另一方面，现有的光学模数转换方法尽管有着多种不同的架构并且有各自的特点和优势，但是都保留了多通道数据并行输出的方式。例如通道交织型光模数转换方法利用多级的级联马赫曾德尔调制器进行高速采样脉冲向多路低速采样脉冲的串并转换，保证了所有的超宽带信号处理过程在光域上进行；并行采样光模数转换方法则利用多路低速光脉冲与单路高速光脉冲的等价性，通过对光程的严格调控实现高速采样过程，减少调制器级联从而降低了链路损耗和提升有效位数；时间波长交织型光模数转换方法充分利用光的波长维度，利用密集波分复用器使得单路的高速采样脉冲转换为多路具有不同中心波长的低速采样脉冲，同样减少了链路损耗。这些光学模数转换方法所共有的多通道并行输出的特性意味着高速信息速率的单路输入被分为多路相对低速信息速率的输出，尽管现有的方法总是首先将多通道并行输出的信息整合完整的单路信息进行统一化的处理，没有解决高速信息处理中对硬件计算资源处理速度缓存资源容量要求高的问题，但是确实为并行信号处理的实现奠定了基础。结合光学模数转换方法的并行输出特性与合适的通信信号并行处理方法，有望解决未来通信中信号带宽大难以接收和信息速率高难以处理的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于面向未来通信中电磁信号频段提升，带宽增加以及信息速率的增加带来的信号宽带接收与高速信息处理的问题，引入光学模数转换方法，并结合光学模数转换方法的多通道信号并行输出的特点，提出通信信号的并行处理方法，为实时高速宽带大容量的下一代通信提供一种潜在的解决方案。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下方法：

3、一种基于光学模数转换的通信信号并行处理方法，其特点在于，包括以下步骤：

4、步骤1：利用光学模数转换方法对高频的宽带通信信号直接进行射频接收，则单路的高速率信号被分为m路的低速率信号进行输出，其中m为光学模数转换方法的输出通道数，并且由于光学模数转换方法并行通道输出之间的相互关系，多路的信号输出在频域上处于相同的频率子空间，而在时域上在不同的正交子空间中。将通信信号处理流程分为信道估计，信道均衡和信号解调，则上述过程均可以通过时域处理或是频域处理完成，并且可以根据光学模数转换的多通道并行输出特性对其分别进行并行的信号处理。

5、步骤2：首先进行通信信号处理中的信道估计的并行化处理。首先，经过光学模数转换方法进行接收后的第i路信号输出可以表示为st,i，信道估计的信号处理过程l在时域上表现为积分，从而得到频域上的估计结果，因此并行化的信号处理过程表示为：

6、

7、其中rf,j表示频域上第j个子空间的信道估计结果，wi,j表示相应的频域子空间与时域子空间的权值系数，lt,i表示第i路输出对应的时域子空间上的信道估计过程。

8、步骤3：对信号处理中的信道均衡过程进行并行化处理。信道均衡处理对不同频域子空间的信号进行不同的系数相乘，对不同时域子空间的信号进行相同的系数相乘，从而得到均衡后的输出信号，因此并行化的信道均衡过程可以表示为：

9、

10、其中，qt,i表示第i路输出对应的时域子空间上的信道均衡后的并行化输出结果，rf,j表示由信道估计过程中得到的信道系数，s(f,j)(t,i)表示第i路输出对应的时域子空间在第j个频域子空间上的分量。

11、步骤4：对通信信号处理中的解调过程进行并行化处理。信号解调与信道估计的过程类似，对不同频域子空间上的信号进行积分过程，并对积分后的结果进行码元判决从而得到最终的通信信息。则相应的并行化处理过程可以表示为：

12、

13、其中qt,i表示信道均衡之后的第i个时域子空间上的并行化输出结果，ht,i表示对第i个时域子空间上的信号进行积分解调过程，同样地，wi,j为相应的频域子空间与时域子空间的权值，gf,j为第j个频域子空间上的码元判决过程，of,j为最终的解调结果，即信号中携带的通信信息。

14、步骤5：对并行化输出的通信信息进行重组整合，至此完成完整的通信信号处理过程。

15、所述的电磁信号的射频频段包括但不限于x波段，ku波段，ka波段，w波段，毫米波波段。

16、所述的多通道光学模数转换方法包括但不限于通道交织型光学模数转换方法，并行采样光学模数转换方法，时间波长交织型光学模数转换方法。

17、所述的通信信号形式包括但不限于qam-ofdm信号，qpsk-ofdm信号，pam信号。

18、与目前的通信信号处理方法相比，本发明具有以下优点：

19、1、光学模数转换方法的使用增加了可接收通信信号的带宽，从而增加了通信速率，能满足未来6g中的高速通信需求。

20、2、在光学模数转换方法的信号并行输出的特点上，针对通信信号的处理流程，可以实现并行化的处理，提高了信号处理的速度。

21、3、在信号并行化处理的基础上，在硬件实施层面，硬件资源得以阵列化，并且每一个硬件资源内需要处理的数据吞吐率和需要缓存的数据量降低，减少了硬件资源的配置需求，从而降低了硬件制造的工艺难度与成本。

技术特征：

1.一种基于光学模数转换的通信信号并行处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于光学模数转换的通信信号并行处理方法，其特征在于，所述的电磁信号的射频频段为x波段，ku波段，ka波段，w波段，毫米波波段。

3.根据权利要求1所述的基于光学模数转换的通信信号并行处理方法，其特征在于，所述的多通道光学模数转换方法包括通道交织型光学模数转换方法，并行采样光学模数转换方法，时间波长交织型光学模数转换方法。

4.根据权利要求1所述的基于光学模数转换的通信信号并行处理方法，其特征在于，所述的通信信号包括qam-ofdm信号，qpsk-ofdm信号或pam信号。

技术总结
一种基于光学模数转换的通信信号并行处理方法，面向未来高速宽带的无线通信，通过光学模数转换方法实现电磁通信信号的宽带接收，从而提高通信速率；更进一步地，针对宽带高速通信中面对的大数据量的信号处理难题，在光学模数转换方法本身具有多通道接收结果并行输出特点的基础上，结合并行输出信号之间的关系，提出了并行化的通信信号处理方法，从而减少单个硬件计算单元中的处理速度和处理容量需求，降低了对计算单元硬件资源的要求和硬件制造的工艺难度和工艺成本，提高了通信信号处理的实时性能。

技术研发人员：邹卫文,邓安逸,刘运坤,钱娜
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17